Верхний предел полярных сияний определяется с меньшей точностью. Он также различен для разных форм полярных сияний. Так, верхний предел лучей много больше, чем верхний предел других форм сияний.
Рис. 27. Зависимость высоты полярных сияний от широты
Лучи полярного сияния, освещенные Солнцем (перед заходом или после восхода), наблюдаются на высотах между 200—400 км и 1000—1100 км.
Высоты полярных сияний в низких широтах измерялись редко. Имеющиеся немногие данные говорят о том, что там эти величины выше, чем в овале полярных сияний. Они могут достигать 1000 км (см. рис. 27).
Протонные полярные сияния
Особо выделяют полярные сияния, которые вызываются протонами. Их свойства во многом отличаются от рассмотренных выше форм электронных полярных сияний.
Когда пучок высокоэнергичных протонов входит в атмосферу, их энергия постепенно уменьшается вследствие неупругих столкновений, при которых происходит ионизация и возбуждение молекул и атомов атмосферных газов. В некоторых ионизационных процессах протон может захватить свободный электрон и таким образом превратиться в нейтральный атом водорода. Этот процесс называется перезарядкой. Атом водорода может возникать или в основном пли в каком-либо возбужденном состоянии.
Когда возбужденный атом водорода переходит в основное или метастабильное состояние 2S, в результате нескольких каскадных переходов, его излучение возможно в линиях серии Бальмера α(3—2) и β(4—2), а также с длинами волн Нα 6563 Å и Нβ 4861 Å.
Некоторые особенности протонных (водородных) полярных сияний вызваны особым характером движения протонов — атомов водорода. Первоначальный протон в своем движении направляется силовыми линиями геомагнитного поля. Когда протон превращается в атом водорода, его движение больше не ограничивается магнитным полем и он может далеко уйти от направления движения первоначального протона. Затем атом водорода при столкновении с другой частицей вновь теряет свой электрон (т. е. ионизуется) и превращается в протон. Снова его движение направляется магнитным полем.
Протоны и атомы водорода испытывают большое число столкновений, сопровождающихся перезарядкой, прежде чем растратят полностью свою энергию и затормозятся. Меняется и состав пучка протонов — атомов водорода по мере его проникновения в атмосферу.
Поскольку излучающие атомы водорода движутся с достаточно большой скоростью, то длина волны их излучения несколько изменяется вследствие эффекта Доплера. Напомним, что сам эффект состоит в том, что если источник волн приближается к наблюдателю (или удаляется от него), то последний регистрирует уменьшение (или увеличение) длины волны по сравнению с длиной волны того же излучателя, когда он неподвижен.
Таким образом, при движении атомов водорода к Земле спектральные линии, регистрируемые с земной поверхности, будут смещены в сторону более коротких длин волн. Для примера скажем, что линия Нβ 4861 Å обычно смещается примерно на 5 Å. Это смещение измеряется, и информация используется для определения параметров пучка протонов — атомов водорода.
По мере своего продвижения в глубь атмосферы пучок протонов — атомов водорода постепенно расползается за счет выхода из-под контроля магнитным полем атомов водорода. Происходит своего рода диффузия поперек пучка. Но когда частицы попадают в более плотные слои атмосферы, то величина этой диффузии быстро уменьшается.
Процесс перезарядки состоит из ряда процессов, которые можно записать в виде
H+ + M →→ H(nl) + M+,
где n и l — орбитальное и азимутальное квантовое число соответственно. Реакции имеют различные эффективные сечения σ10(nl) для захвата электрона на разные уровни nl.
Возбуждение может происходить при непосредственном столкновении атомов водорода в основном состоянии с атомами и молекулами атмосферных газов (M):
H(10) + M → H(nl) + M
или
Н(10) + М → Н(nl) + М+ + е
с эффективным сечением σ10(nl).
При вторжении пучка протонов — атомов водорода реакции
H + N2 → H + N+2 + е, H + N2 → H+ + N+2 + 2е
играют столь же важную роль, как и реакции
H+ + N2 → H+ + N+2 + e, H+ + N2 → H + N+2.
На один акт ионизации теряется энергия около 36 эВ независимо от первоначальной энергии ионизующей частицы. Вторичные электроны имеют энергию, достаточную для того, чтобы также давать вклад в ионизацию и возбуждение. Этот процесс более эффективен при более низких энергиях.